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行星GJ 3470 b的内部结构,光谱学揭示其化学“指

来源:化学教与学 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2021-10-22

【作者】:网站采编
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【摘要】:在天文科学领域,科学家们在宇宙中的行星探索范围,早已扩大到太阳系以外,它们被称为系外行星。首次确认系外行星存在的时间,距今已有29年,而最难确认的信息,便是它们的性

在天文科学领域,科学家们在宇宙中的行星探索范围,早已扩大到太阳系以外,它们被称为系外行星。首次确认系外行星存在的时间,距今已有29年,而最难确认的信息,便是它们的性质和普遍程度。终于,通过NASA两架望远镜的通力合作,研究人员第一次确认了系外行星GJ 3470 b的化学“指纹”。虽然,在其他恒星的周围,这样的行星较为普遍的存在,但是,在我们的太阳系中,却并没有发现它们的身影。


行星GJ 3470 b以创纪录的速度蒸发

GJ 3470 b绕着一颗和地球相聚97光年的红矮星运行,距其母星大约600万公里(370万英里),相当于太阳系行星水星与太阳之间平均距离的十分之一左右。并且,该恒星喷射出的辐射正在快速地剥离GJ 3470 b的高层大气,因此,该行星可能无法长时间保持目前的大小。迄今为止,科学家们尚未发现其他行星出现这样巨大的质量损失,仅需要几十亿年的时间,星球质量的一半就可以消失掉。并且,这颗仅仅20亿年左右年龄的系外行星,可能已经以这样的方式损失了大约35%的质量。

约有木星大小的行星,大致相当于地球大小的行星,以及所谓的超级地球,科学家们根据它们的大小和与恒星之间的距离,绘制了系外行星,处于中间位置、接近它们恒星的“海王星”相对很小。通过热海王星的沙漠也可以表明,这样的外星世界是罕见的,又或者,它们一度充足,但后来消失了,这让我们看到了系外行星之谜。在过去十年左右的时间里,在太阳系外,天文学家发现了许多“ 热木星 ”、“热地球”和“热超地球” ,分别紧密围绕轨道的气体巨星,但最令人惊讶的还是“热海王星”。


系外行星GJ 3470 b的理论内部结构

系外行星GJ 3470 b,也叫做Gliese 3470 b,其巨大的岩石核心,埋藏在一个深沉破碎充满氢和氦的气氛中。它的质量比地球更大,但又比海王星的质量(超过17个地球质量)更小,处于海王星和地球的质量之间,而在我们银河系中,80%的行星可能都属于这个质量范围内,但它又不同于太阳系中的任何行星。科学家们通过哈勃望远镜和斯皮策太空望远镜对GJ 3470 b进行了观测,并对其非常清晰的深层大气成分进行了化学分析,为这颗行星的起源提供了线索。

系外行星GJ 3470 b的理论内部结构正如下图所示,图片下部所显示的是很久以前该系统可能看到的磁盘。GJ 3470 b与距离太阳30亿英里的海王星有所不同,可能已形成非常接近其红矮星的干燥岩石物体。它通过自身的重力从周围的圆盘中获取氢气和氦气,然后形成厚厚的大气层。而这个磁盘消失的时间,大约是在数十亿年前,于是,这个星球也随之停止了继续增长。因为在我们的太阳系中,没有这样特殊的星球存在,所以它才如此引人注目。天文科学家们可以通过梳理GJ 3470 b大气的内容,发现了它的性质和起源相关的线索。


光谱学如何确认系外行星的化学指纹

从行星形成的角度而言,首次对GJ 3470 b大气进行的研究结果,算得上是一个重大的发现,这样一个独特世界的光谱特征,科学家们也是第一次拥有。GJ 3470 b直接穿过其母星的圆盘,该行星的轨道非常接近恒星,但又远低于木星,却依然成功地吸收了大部分未受污染的原始氢/氦气氛。通过测量行星在其恒星(过境)前面经过时,吸收了多少的星光,以及行星在恒星(日食)后面经过时,有多少反射光从星球消失了,太空望远镜观测到了12次过境和20次日食。 正是由于在行星GJ 3470 b上只有薄雾,气氛整体是清晰的,所以科学家才能够深入探测大气层,然后基于光分析该行星的化学指纹(光谱学)。

在分析结果出来之前,科学家们预估该行星应该富含氧气和碳元素等重元素,并形成丰富的甲烷气体和水蒸气,这样的大气氛围会和我们在海王星上看到的很相似。然而,科学家们却发现行星GJ 3470 b上的重元素含量非常少,它的主要成分反而和太阳类似,富含氢和氦。从之前科学家们发现的许多更大的系外行星来看,它们的轨道往往都特别靠近自己的母恒星,也被称作“热木星”。


研究人员甚至怀疑,这些木星一般大小的行星在各自的太阳系中形成的时间更久远,所以才会向自己的恒星迁移。但是,行星GJ 3470 b的情况却表现得有所不同,对于这样的现象有一个相对合理的解释: GJ 3470 b起源于一块异常干燥的岩石,当它“出生”以后,就不稳定地靠近它的红矮星,质量大约是太阳的一半。当其恒星处于年轻时期的时候,它会快速地从原始气体盘(原行星磁盘)中吸收氢气。简而言之,在行星仍处在增长的过程中,原行星气体盘以某种方式分散,所以永远地阻碍它的大小。对于该行星的更多疑惑,则需要更敏感的红外波探测器通过时间来解答。

文章来源:《化学教与学》 网址: http://www.hxjyxzz.cn/zonghexinwen/2021/1022/1113.html

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